基于BIM+VR虚拟现实技术的工程可视化协同设计

吴 贝，杨若吾，陈沿秀，尤 洋，高展望

(天津大学 仁爱学院，天津 301636)

1 技术概述

1.1 BIM技术的概述

建筑信息模型(Building Information Modeling，简称 BIM)是指在建筑设计和施工过程中创建和使用的可计算数字信息。这些数字信息可以由程序系统自动管理，从而使由这些数字信息计算出来的各种文件具有相互匹配、互为因果的特点。

1.2 VR技术的概述

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称 VR)是通过计算机创造并体验虚拟环境的一种计算机仿真技术。对于VR技术来说，用户通过听觉、触觉、视觉、嗅觉等感知来体验虚拟环境，如通过对家具的摆放、移动，对门窗的开关等来体验这个环境，使其给人一种身临其境的感觉。

1.3 BIM+VR技术

BIM技术虽然能将二维的图纸转化三维模型，使其最直观地被表现出来，但BIM技术可视化表达不足，用户、建设单位以及非专业相关人员存在着读图、模型的困难。BIM只能被动地由设计师进行设计，部门与部门之间、部门与设计师之间不能及时交流，不能及时和用户、建设单位以及施工单位进行交流和讨论，也就无法采纳用户、建设单位以及施工单位的建议。而VR技术则是创造一个虚拟的环境，用户通过听觉、视觉、触觉、嗅觉等感官能力去感受建筑的内部并操作，也就是沉浸式仿真技术，用户能从虚拟环境中获得与现实环境相似或相同的体验，但虚拟现实技术只能停留在表现效果上，不能很好地展现建筑物的数据和信息。BIM技术和VR技术的结合可以弥补彼此之间的不足。如BIM则可以向VR平台提供信息、数据以及模型，VR技术则创造一个与其相关的虚拟环境，将用户在虚拟环境的感受以及建议反馈给设计师，然后对设计图纸进行修改，提高用户的舒适度。同时也可以把VR技术应用于施工阶段，从而避免设计图纸中出现不合理性和不科学性，这样就可以保证施工过程效率。

2 BIM技术存在的问题

2.1 BIM可视化表达不足

BIM的可视化是指经过BIM模型在计算机上进行动态且直观的仿真展示出情景，可以帮助业主更加客观、准确地进行决策。通过可视化演示，项目中的每个团队可以直接浏览每一个空间，从而进行交流、讨论和分析。但在设计完成后，三维的展示方式只能通过固定的角度和固定的路线去展示，不能从多角度、多路线去展示，会造成建筑设计信息的遗漏，从而造成建筑设计与实际建成后的建筑存在偏差。

2.2 缺乏协同设计

在设计的过程中往往只有设计师参与，用户、建设单位、施工单位等都无法将自己的想法和建议融入到设计阶段。不同的部门、不同的单位不能及时进行交流，从而大大降低工作效率。

3 BIM+VR技术在工程项目中的创新应用

运用BIM技术进行建模(数字建模)，其主要运用的软件revit，是将二维的图纸变为三维的模型，其总的思路是基于虚拟现实引擎来承载BIM模型中所有的信息，利用虚拟现实技术来展示模型的效果。

在VR模式下，用户可以体验项目仿真模拟环境，还能沉浸进入项目实景进行漫游，可以从多角度和不同的路径观察各个区域中构件、建筑的信息。在漫游中，可以感受到场地的空间，各建筑的位置、各构件的位置、颜色、材质等特点。同时在漫游的过程中，系统可以对你的行为及时做出回应。

3.1 工程概况

某项目位于天津市，总投资约10 529万元，占地面积2 823 m2，总建筑面积15 377 m2，最大高度约30 m，最大跨度约8 m(单跨)，其项目的结构为框架结构，属于工业建筑。

3.2 利用BIM技术建模

首先利用Revit软件进行土建，其包括结构建模和建筑建模。结构建模是对梁、板、柱部分进行建模，而建筑建模是对墙体、门窗等部分进行建模。然后用Magcadi软件进行机电建模，也就是对水、暖、电进行建模。

3.3 BIM+VR技术在施工交底上的应用

传统的施工交底通过口述、文字等方法进行，由于每一个施工人员的理解能力存在着差异，施工交底的质量就不同。如果对施工交底的内容不理解透彻，在施工中将会出错误，会造成施工质量差的情况。VR技术可以让施工人员亲身体验其交底的内容，且对施工人员的理解能力要求不高，使施工交底的质量更好。在本项目上VR的可视化交底主要使用于钢筋的绑扎、设备的进场以及安装、混凝土的灌注等方面，通过VR设备进入虚拟的施工现场，使其亲身体验操作过程，明确施工的操作步骤。

3.3.1 施工可视化交底的设计

首先利用Revit土建，用Magcadi软件绘制机电管线；然后将模型导入Maya中制作动画；在制作成动画后，对其进行渲染；导入VR引擎，与VR引擎对接，连接设备。

3.3.2 在本项目中施工可视化交底的使用过程

以设备的进场以及安装为实例。让体验者戴上VR头盔，登入界面，使其进入VR场景，利用手柄选择设备进场以及安装体验的场景。利用瞬移功能，进入体验的场地，按压手柄上的按键触发场景。设备从吊装孔缓缓的下降，利用手柄对设备进行上下左右调整和控制，使其朝向指定的位置移动，到达指定的位置后，使用手柄控制设备下降，使其设备就位，然后语音提示“设备吊装完成”。

再以预制墙的安装为实例。同样让体验者戴上VR头盔，进入预制墙的安装场景。给预制墙安装上吊点，塔吊吊起预制墙，使用手柄对预制墙进行调整和控制，使它缓慢匀速地朝指定的位置移动。到达指定位置后，用手柄使它缓慢下降。在下降到一定的高度时，扶住预制墙缓慢下降到安装位置，再安上斜支撑，取掉吊点，然后语音提示“预制墙安装完成”。

3.3.3 BIM+VR技术施工交底的优势

1)能将设计师的意图更加直观展示给施工人员，使其理解更加透彻，提高施工质量。

2)其系统是完全交互的，可以重复体验。

3)可以整合资源，提高施工管理质量，提高工作效率。

3.4 BIM+VR技术在施工安全教育上的应用

本项目通过BIM+VR技术将实际的施工场地转化为一个虚拟环境，让施工人员沉浸于VR的虚拟世界，体验其高空坠落、塌方、施工触电、火灾等这些“真实的”事故的场景，可以让施工人员认识到在某阶段因自己的不规范施工操作导致安全事故的发生，从而认识到规范施工的重要性，并提高施工人员的安全意识。

3.4.1 BIM+VR技术在安全教育中的设计

1)VR的硬件设备。其设备包括计算机、头盔设备、三维视觉显示设备、手柄、声音设备、定位器等，并且还要在体验区的下方设置振动台，增强用户的实际的体验感。硬件的连接如图1所示。

图2 硬件连接

2)软件设计。其包括场景的建模、贴图渲染优化以及交互的实现等三部分。

3)流程设计。主要为：用Revit软件建模；将创建好的模型导入Unity优化；利用Substance Designer贴图软件材质进行设计和渲染；在材质制作完成后，将其导入到Unity3 D中；连接显示屏，接入VR设备，实现手柄碰撞物体的触发、抓取功能、移动功能。

图3 设计流程图

3.4.2 安全教育场景体验

根据设计，安全教育场景下的系统功能如图4。

图4 系统的功能

本文以火灾消防的安全教育为例，介绍其体验过程。

登录界面，用手柄选择火灾消防事故场景；使用瞬移功能进入场景，进入宿舍楼，然后触发起火点起火；使用拿取功能，在火势不大时，体验者拿起灭火器进行灭火，并有语音提示灭火的步骤；当火势无法控制时，语音将会提示体验者离开火场，同时响起警铃，地面出现指向安全出口的绿色箭头，提示体验者离开；体验者选择逃生后，将其体验者送至安全出口。

3.5 BIM+VR技术在工程施工中解决的问题

1)节约资源和成本。在施工过程中都会存在着信息壁垒，无法保障施工质量，无法控制其成本并且容易发生材料的浪费。BIM+VR技术能够很好地解决这些问题。BIM+VR技术可以链接其工程量以及施工进度和建筑信息模型，从而降低损失。

2)优化设计图纸，使其更精确。在传统的图纸设计上，常常由于设计师没有现场施工的经验，也就没有考虑到施工中的一些问题，最终造成在项目工程中的不合理，并且在施工的过程中要调整较多数据。BIM+VR技术能够解决这些问题，它全面的考虑了施工中的因素，保证了项目的合理性和科学性。例如在项目中图纸中考虑构件安装的合理性，避免出现返工，造成材料的浪费。

3)缩短了工期，提高了工作效率。由于施工中存在信息壁垒以及设计图纸中存在着一些不合理性，造成施工工期不断的延长。BIM+VR技术能够有效地解决上述问题。BIM+VR技术有效地链接施工进度，进而可以很好地控制施工的工期，并且也提高工作效率。

4)加强了施工作业人员的安全意识。传统的施工安全教育是以口述、书面等形式进行表达，但其效果往往不佳，安全事故频发。BIM+VR技术的安全教育不像传统的安全教育注重于表面，它是一种“体验式”教育，它让施工人员亲身体验安全事故，使其感同身受，增强其安全意识。

5)实现了管综优化。在传统的施工中，由于管道的排布不合理，造成了管道的相交和碰撞，增加了返工量和材料的浪费。利用BIM+VR技术实现管综优化，避免了管道相交、碰撞，使管道合理排布，减少材料的浪费，缩短了工期。

4 结束语

本文以某工程项目为例，介绍BIM+VR技术施工可视化交底以及安全教育在建筑施工阶段上的应用，并进行分析。在工程项目中实施BIM+VR技术可视化交底和安全教育可以很好的保证施工质量以及提高管理质量，提高施工效率，节约资源和成本，缩短工期，减少安全事故的发生，增强施工人员的安全意识。但BIM+VR技术在国内的研究还不多以及相关的标准体系并不完全，因此，在工程中的应用并不广泛，BIM+VR技术仍需要进一步研究以及完善。

[ID:010101]